CN103869450A - Led数字微型投影机投影镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED数字微型投影机投影镜头。该LED数字微型投影机投影镜头，包括：从靠近投影屏幕端到靠近显示芯片端依次包括：第一透镜组、光阑、第二透镜组、非球面场镜、棱镜和显示芯片保护玻璃片。该LED数字微型投影机投影镜头通过采用第一透镜组，第二透镜组及非球面场镜负正正光焦度结合布置，使得其在合理的光焦度的配合下，既可以缩小镜头的长度，又可以保证像差与镜头长度之间的平衡；减少了投影镜头的透镜数，提高了光学利用率高、成本低，且能够实现偏芯投影。

Description

LED数字微型投影机投影镜头

技术领域

本发明涉及投影机领域，特别涉及一种LED数字微型投影机投影镜头。

背景技术

随着科学技术的发展，特别是半导体技术的推动，便携式的电子设备被不断的设计制造出来。随着便携式设备功能的提升，作为人机界面的显示器件的要求越来越向着全彩，大屏幕和高分辨率方向发展。而使用微型光调制器件，如DMD（Digital Micromirror Device），LCoS（Liquid Crystal onSilicon），配合LED光源和投影镜头构成的LED数字微型投影机正是满足这一需求的显示技术。

对于这类LED数字微型投影机显示技术在提高显示像素数目的同时，小型化的设计是实现投影机便携式应用必须克服的困难。目前LED数字微型投影机投影镜头的透镜多，光学利用率低、成本高；而且投影镜头一般不具有偏芯投影功能，只能沿镜头轴线投影，屏幕也只能布置在该轴线上，使得LED数字微型投影机的放置位置容易遮挡屏幕，影响观众观看。要实现偏芯投影的功能只能通过增加投影镜片的数目实现。

发明内容

本发明是为了克服上述现有技术中缺陷，提供了一种结构简单合理，体积小，投影镜头的透镜少，光学利用率高、成本低，能够实现偏芯投影的LED数字微型投影机投影镜头。

为达到上述目的，根据本发明提供了一种LED数字微型投影机投影镜头，包括：从靠近投影屏幕端到靠近显示芯片端依次包括：第一透镜组、光阑、第二透镜组、非球面场镜、棱镜和显示芯片保护玻璃片；

第一透镜组具体包括：一个或多个具有负光焦度的透镜，且从投影屏幕端到显示芯片端依次包括：第一表面S1和第二表面S2，第一表面S1和第二表面S2均为非球面；

第二透镜组从投影屏幕端到显示芯片端依次包括：一个具有负光焦度的第一透镜和一个具有正光焦度的第二透镜，且依次包括：第四表面S4、第五表面S5和第六表面S6，述第五表面S5为球面或平面；

非球面场镜包括：一个具有正光焦度的非球面透镜，且从投影屏幕端到显示芯片端其依次包括：第七表面S7和第八表面S8；

其中：0.10<F/L<0.45，0.4<F/F 3<2.5，0.04<F/F1<0.5，40<Vd22<80，L为投影镜头的总长度，F为投影镜头的焦距，F3为非球面场镜的焦距，F1为第一透镜组的焦距，Vd22为第二透镜的色散系数；

LED数字微型投影机投影镜头各透镜的曲面公式为：

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+A_4{r}^4+A_6{r}^6+A_8{r}^8+A_{10}{r}^{10}+A_{12}{r}^{12}$

其中，A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂为位置参数，r⁴、r⁶、r⁸、r¹⁰、r¹²为位置坐标,C和k为曲率参数。

上述技术方案中，投影镜头的焦距和总长度的比值大于0.25，小于0.45。

上述技术方案中，投影镜头的焦距和非球面场镜焦距的比值大于0.8，小于1.0。

上述技术方案中，投影镜头的焦距和第一透镜组的焦距的比值大于0.1，小于0.35。

上述技术方案中，第一透镜组为塑料镜片或玻璃镜片。

上述技术方案中，第一透镜和第二透镜胶合形成所述第二透镜组，且第五表面为胶合面。

上述技术方案中，非球面场镜为塑料镜片或玻璃镜片。

上述技术方案中，光阑为涂布在所述第二透镜组靠近第一透镜组表面外圈的不透光材料，所述不透光材料为黑墨、不反光金属或金属氧化物涂层。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该LED数字微型投影机投影镜头通过采用第一透镜组，第二透镜组及非球面场镜负正正光焦度结合布置，使得其在合理的光焦度的配合下，即可以缩小镜头的长度，又可以保证像差与镜头长度之间的平衡；减少了投影镜头的透镜数，提高了光学利用率高、成本低，且能够实现偏芯投影。

附图说明

图1为本发明的LED数字微型投影机投影镜头的示意图；

图2为本发明的LED数字微型投影机投影镜头的投影图；

图3为本发明的LED数字微型投影机投影镜头第一实施例的球差图；

图4为本发明的LED数字微型投影机投影镜头第一实施例的场曲图；

图5为本发明的LED数字微型投影机投影镜头第一实施例的畸变图；

图6为本发明的LED数字微型投影机投影镜头第二实施例的球差图；

图7为本发明的LED数字微型投影机投影镜头第二实施例的场曲图；

图8为本发明的LED数字微型投影机投影镜头第二实施例的畸变图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。需要理解的是，本发明的以下实施方式中所提及的“上”、“下”、“左”、“右”、“正面”和“反面”均以各图所示的方向为基准，这些用来限制方向的词语仅仅是为了便于说明，并不代表对本发明具体技术方案的限制。

本发明的LED数字微型投影机投影镜头通过采用第一透镜组，第二透镜组及非球面场镜负正正焦度结合布置，使得其在合理的光焦度的配合下，即可以缩小镜头的长度，又可以保证像差与镜头长度之间的平衡；减少了投影镜头的透镜数，提高了光学利用率高、成本低，且能够实现偏芯投影。

如图1所示，该LED数字微型投影机投影镜头从靠近投影屏幕端到靠近显示芯片端依次包括：第一透镜组10、光阑99、第二透镜组20、非球面场镜30、棱镜40和显示芯片保护玻璃片50。

其中，第一透镜组10具体包括：一个（或多个）具有负光焦度的透镜，且从投影屏幕端到显示芯片端依次包括：第一表面S1和第二表面S2，用于投射图像到投影屏幕上。第一表面S1和第二表面S2均为非球面。第一透镜组10可以为塑料镜片或玻璃镜片。

光阑99设置于第一透镜组10和第二透镜组20之间，以有效的降低慧差的影响。光阑99可以为涂布在第二透镜组靠近第一透镜组的表面外圈的不透光材料，该不透光材料可以为黑墨、不反光金属或金属氧化物涂层等。

第二透镜组20从投影屏幕端到显示芯片端依次包括：一个具有负光焦度的第一透镜21和一个具有正光焦度的第二透镜22，且从投影屏幕端到显示芯片端第二透镜组20依次包括：第四表面S4、第五表面S5和第六表面S 6，用于对光线实现偏转以达到偏芯投影的目的。第一透镜21和第二透镜22胶合形成第二透镜组20，且胶合面第五表面S5为球面或平面。如图2所示，透过非球面场镜30的光线经过第二透镜组20偏转后，再经第一透镜组10投射到屏幕100上，以实现LED数字微型投影机的偏芯投影。

非球面场镜30包括：一个具有正光焦度的非球面透镜，且从投影屏幕端到显示芯片端其依次包括：第七表面S7和第八表面S8，用于接收来自显示芯片反射的光线。非球面场镜30可以为塑料镜片或玻璃镜片。

为实现可偏芯及小型化的镜头设计，本发明的LED数字微型投影机投影镜头满足以下条件：

1）0.10<F/L<0.45，优选的0.25<F/L<0.45，其中L为投影镜头的总长度，既为第一透镜组10靠近投影屏幕端的表面到显示芯片90的距离，F为LED数字微型投影机投影镜头的焦距，本条件限制了投影镜头的总长，同时第一透镜组10，第二透镜组20及非球面场镜30采用负正正光焦度结合的布置，在合理的光焦度的配合下，即可以缩小镜头的长度，而且可以保证了像差与镜头长度之间的平衡。

2）0.4<F/F3<2.5，优选的0.8<F/F3<1.0，F3为非球面场镜30的焦距，这个限制保证了非球面场镜30的焦距与像差之间具有很好的平衡。

3）0.04<F/F1<0.5，优选的0.1<F/F1<0.35，F1为第一透镜组10的焦距。这个限制保证LED数字微型投影机投影镜头满足广视角的要求，且利于满足LED数字微型投影机投影镜头在显示芯片端远心成像的要求，以保证屏幕可在一段距离范围内接收到清晰投影画面。

4）40<Vd22<80，优选的40<Vd22<60，Vd22为第二投影透镜组中第二透镜22的色散系数，以保证更好的消除LED数字微型投影机投影镜头的像差。

LED数字微型投影机投影镜头的曲面公式为：

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+A_4{r}^4+A_6{r}^6+A_8{r}^8+A_{10}{r}^{10}+A_{12}{r}^{12}$

其中，A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂为位置参数，r⁴、r⁶、r⁸、r¹⁰、r¹²为位置坐标,C和k为曲率参数、（C=1/R，R为曲率半径)，各参数的具体设置以满足LED数字微型投影机投影镜头的投影设计要求为准。

实施例一：

本实施例中，LED数字微型投影机投影镜头的各光学元件满足表一和表二的条件（第五表面S5为球面）。表中R为对应表面的曲率半径，D为对应表面到后一表面的轴上距离，Nd为对应透镜组对d光的折射率，Vd为d光在对应镜头组的阿贝数。

表一：

表面	形状	R（mm）	D（mm）	Nd	Vd
						S1	非球面	6.74	3.62	1.585	29.909
S2	非球面	6.92	2.37

S4	球面	-3.11	2	1.785	25.720
						S5	球面	103.19	2.6	1.729	54.669
S6	球面	-5.25	0.15
						S7	非球面	8.22	3.8	1.531	56.044
S8	非球面	-9.91	1.90

表二：

本实施例中LED数字微型投影机投影镜头的球差、场曲及畸变分别如图3至图5所示。分别针对F线，d线和c线的进行模拟计算。总体而言，本实施例中LED数字微型投影机投影镜头的球差值在-0.04mm到0.04mm范围内，场曲可以控制在-0.04mm到0.04mm之间，畸变可以控制在-1％到1%之间，可以看到本设计可以很好的校正球差、场曲和畸变。

实施例二：

本实施例中，LED数字微型投影机投影镜头与实施例一中结构基本相同，区别在第五表面S5为平面，以利降低生产成本，控制品质。表三和表四为本实施例中LED数字微型投影机投影镜头的各光学元件满足的条件。表中符号与实施例一相同。

表三

表面	形状	R（mm）	D（mm）	Nd	Vd
						S1	非球面	6.48	2.85	1.585	29.909
S2	非球面	7.18	1.21
						S4	球面	-3.80	0.69	1.765	30
S5	平面	无穷大	3.55	1.804	46.576
						S6	球面	-6.48	0.14
S7	非球面	16.95	5.06	1.531	56.044
						S8	非球面	-10.20	2.41

表四

本实施例中镜头100的球差、场曲及畸变分别如图6至图8所示。分别针对F线，d线和c线的进行模拟计算。总体而言，本实施例中投影镜头100的球差值在-0.05mm到0.05mm范围内，场曲可以控制在-0.05mm到0.05mm之间，畸变可以控制在-1％到1%之间，可以看到设计可以很好的校正球差、场曲和畸变。

该LED数字微型投影机投影镜头通过采用第一透镜组，第二透镜组及非球面场镜负正正焦度结合布置，使得其在合理的光焦度的配合下，即可以缩小镜头的长度，又可以保证像差与镜头长度之间的平衡；减少了投影镜头的透镜数，提高了光学利用率高、成本低，且能够实现偏芯投影。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种LED数字微型投影机投影镜头，其特征在于，包括：从靠近投影屏幕端到靠近显示芯片端依次包括：第一透镜组（10）、光阑（99）、第二透镜组（20）、非球面场镜（30）、棱镜（40）和显示芯片保护玻璃片（50）；

所述第一透镜组（10）具体包括：一个或多个具有负光焦度的透镜，且从投影屏幕端到显示芯片端依次包括：第一表面（S1）和第二表面（S2），所述第一表面（S1）和第二表面（S2）均为非球面；

所述第二透镜组（20）从投影屏幕端到显示芯片端依次包括：一个具有负光焦度的第一透镜（21）和一个具有正光焦度的第二透镜（22），且依次包括：第四表面（S4）、第五表面（S5）和第六表面（S6），所述第五表面（S5）为球面或平面；

所述非球面场镜（30）包括：一个具有正光焦度的非球面透镜，且从投影屏幕端到显示芯片端其依次包括：第七表面（S7）和第八表面（S8）；

其中：0.10<F/L<0.45，0.4<F/F3<2.5，0.04<F/F1<0.5，40<Vd22<80，L为投影镜头的总长度，F为投影镜头的焦距，F3为非球面场镜（30）的焦距，F1为第一透镜组（10）的焦距，Vd22为第二透镜（22）的色散系数；

LED数字微型投影机投影镜头各透镜的曲面公式为：

$Z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+A_4{r}^4+A_6{r}^6+A_8{r}^8+A_{10}{r}^{10}+A_{12}{r}^{12}$

其中，A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂为位置参数，r⁴、r⁶、r⁸、r¹⁰、r¹²为位置坐标,C和k为曲率参数。

2.根据权利要求1所述的LED数字微型投影机投影镜头，其特征在于：所述投影镜头的焦距和总长度的比值大于0.25，小于0.45。

3.根据权利要求1所述的LED数字微型投影机投影镜头，其特征在于：所述投影镜头的焦距和非球面场镜（30）焦距的比值大于0.8，小于1.0。

4.根据权利要求1所述的LED数字微型投影机投影镜头，其特征在于：所述投影镜头的焦距和第一透镜组（10）的焦距的比值大于0.1，小于0.35。

5.根据权利要求1所述的LED数字微型投影机投影镜头，其特征在于：所述第一透镜组（10）为塑料镜片或玻璃镜片。

6.根据权利要求1所述的LED数字微型投影机投影镜头，其特征在于：所述第一透镜（21）和第二透镜（22）胶合形成所述第二透镜组（20），且第五表面（S5）为胶合面。

7.根据权利要求1所述的LED数字微型投影机投影镜头，其特征在于：所述非球面场镜（30）为塑料镜片或玻璃镜片。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的LED数字微型投影机投影镜头，其特征在于：所述光阑（99）为涂布在所述第二透镜组（20）靠近第一透镜组（10）表面外圈的不透光材料，所述不透光材料为黑墨、不反光金属或金属氧化物涂层。

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